《Nature》子刊:拥有生命的分子组装体!可以生产聚合物

分子纳米技术是一个快速发展的领域,几十年来一直致力于探索在宏观规模上发现小型化技术的可能性。纳米技术已取得巨大进展的一个领域是开发分子机器(molecular machines):一种受到外部刺激驱动定向运动的组件。使用分子机器,可以实现许多功能,例如运输化学品、宏观运动和催化。尽管分子机器实际上仍处于概念验证阶段,但是分子机器可以催化一系列过程,包括聚合和不对称合成。

尽管分子纳米技术领域在1990年代开始取得实验性进展,但基本概念是由Richard Feynman提出的。后来,由于Eric Drexler将分子组装体(assembler)的概念引入了纳米技术,纳米技术才得以普及。组装体是一种能够以原子精度定位反应性分子来引导化学反应的设备。

Drexler设想:为了生产大量产品,分子组装体应该能够自我复制。形成足够数量的组装体后,可以对其进行重新编程以生产所需的产品。

此外,在核糖体将mRNA从蛋白质翻译为蛋白质的过程中,人们发现了自然界对分子组装体的解释。尽管仅限于多肽,但是这种分子组装模型可用于高精度产生任何所需的氨基酸序列。

基于以上背景,来自英国牛津大学化学系的Stephen P. Fletcher教授课题组发现了一种能产生聚合物的分子组装体。该分子组装体是通过两种相分离的反应物的反应来产生双功能表面活性剂的超分子聚集体。最初仅仅是双功能表面活性剂的自我复制,但是一旦达到临界浓度,组装体就会开始生产聚合物而不是超分子聚集体。聚合物的大小可通过调节温度、反应时间或引入封端剂来控制。相关成果以“A molecular assembler that produces polymers”为题,发表在《Nature Communication》上。

1. 分子自组装体的生命周期

 

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图1分子组装器的生命周期

 

图1 (a)描述了分子组装体可能的生命周期(Lifespan of the assembler)中三个阶段的示意图。最初,需要组装者自我复制以产生大量的分子组装体。接下来,在重新编程后,组装体开始生产所需的产品。当组装体完成其功能,并且系统中的燃料或原材料耗尽时,组装体将被销毁以生产更多产品。

2. 分子组装体产生聚合物的过程

 

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图2 分子组装构件浓度的随时间变化

 

图1 b和图2 b描述了系统中分子组装的三个阶段。

阶段一:组装剂的形成(Formation of the assembler):相分离的二硫键1和硫醇2之间的反应导致形成两亲化合物3,该化合物自组装为超分子胶束(图2, A)。这些胶束有助于将非极性硫醇增溶到水层中,从而增加两亲物的形成速率,该过程称为物理自催化。

阶段二:功能分子组装体(Functional molecular assembler):胶束不断溶解非极性硫醇,从而产生更多的两亲物。然后,该两亲在第二反应中与其他当量的硫醇一起消耗,导致聚二硫键的形成。组装体以相同的速度生产和消耗其结构单元,导致两亲物浓度恒定(图2, B)。

阶段三:组装剂的自毁(Self-destruction of the assembler):当起始二硫醇耗尽时,将不再形成两亲物。组装器使用剩余的两亲物继续聚合过程,从而消耗了自己的结构单元,直到完全消失为止,导致浓度(图2, C)降低。在此期间,聚合物继续增长。由(两性)两亲性化合物3组成的分子组装体的iSCAT图像显示出球形颗粒。

结论

总之,研究者发现了一种自发生产的分子组装体,能够生产二硫键聚合物。在整个过程中,组装体在其自封装空间使聚合过程中的反应物接触。尽管反应物并没有以原子精确度放置在一起,但其中一种反应物的自组装所产生的封闭空间却大大增加了它们之间的接触,这有效地克服了扩散和布朗运动。因此,这项工作为功能性超分子系统的开发提供了替代方向。

 

文章链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17814-0

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